CN113922543A - 一种新型盘式同步磁阻电机 - Google Patents

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蒋冬冬
李赵凯
张健
俞烨隆
陈卓
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Abstract

本发明公开了一种新型盘式同步磁阻电机，属于电机技术领域。定子铁芯同轴固定套装在定子端盖上，定子绕组按照同步电机绕组分布规律均匀的绕在定子铁芯的齿上；定子铁芯与转子铁芯中间设有气隙，且转子铁芯侧面沿周向均匀布有多层磁障，磁障沿转子铁芯径向穿透整个铁芯圆盘；转子铁芯同轴套装固定在转子轮辐上，转子轮辐同轴固定套装在电机轴上，转子铁芯，转子轮辐和电机轴固接在一起可以一同旋转输出转矩；定子端盖和转子端盖通过轴承分别旋转套装在电机轴的两端。本发明充分发挥电机磁阻转矩且省去了稀土永磁材料，同时具有盘式永磁电机轴向长度短、结构紧凑、功率密度高和同步磁阻电机调速范围宽、安全性好、性价比高的优点。

Description

一种新型盘式同步磁阻电机
技术领域
本发明涉及一种新型盘式同步磁阻电机，属于电机技术领域。
背景技术
盘式永磁电机是一种轴向磁通电机。区别于传统径向磁通电机，盘式永磁电机具有轴向长度短、输出转矩大、功率密度和效率高等优点，且其结构设计灵活，可分为单定转子、双定子单转子、双转子单定子以及多盘形式。近年来，国内外已有不少研究将盘式永磁电机应用于轨道交通、风力发电、矿产开采等领域。
但由于近年来稀土永磁体材料价格逐年攀升，稀土资源的不可持续性和开采生产环节带来的环境污染问题，无稀土永磁材料的同步磁阻电机得到了深入研究。同步磁阻电机基于最小磁阻原理运行，由于没有采用稀土永磁材料，电机制造成本大大降低，且其调速范围宽、安全性好，不存在永磁退磁、破碎等风险。且其转子表面光滑，对比开关磁阻电机，其转矩脉动小、振动噪声低，具有一定优势。但磁阻电机转矩密度较低，一般转子采用多层磁障结构，通过优化磁障形状，调整转子交、直轴磁阻进而提高电机凸极比，增大电机转矩。随着对电机性能要求的提高，国内外不少学者也研究了在磁障中插入少量铁氧体、钕铁硼等永磁材料。
发明内容
本发明针对现有盘式永磁电机和同步磁阻电机的优缺点，提出一种新型盘式同步磁阻电机，将盘式永磁电机贴有永磁体的转子替换为依据同步磁阻电机原理设计的带有径向多层磁障结构的转子，充分发挥电机磁阻转矩且省去了稀土永磁材料，同时结合盘式永磁电机轴向长度短、结构紧凑、功率密度高和同步磁阻电机调速范围宽、安全性好、性价比高的优势，使得新型盘式同步磁阻电机的电磁、机械、振动噪声性能更优，性价比更高。
本发明是通过以下技术方案来实现的：
一种新型盘式同步磁阻电机，包括定子铁芯、定子绕组、转子铁芯、定子端盖、转子端盖、转子轮辐、轴承和电机轴。
所述定子铁芯同轴套装并固定在定子端盖内构成电机定子，定子铁芯上沿圆周均匀分布有凸起齿；定子绕组按照同步电机绕组分布规律均匀的绕在所述的凸起齿上，使得定子绕组通正弦电流时，在定子绕组轴向产生沿圆周方向行进的正弦波磁场；
所述转子铁芯同轴套装并固定在转子轮辐上构成电机转子，转子轮辐固定在电机轴上，由电机轴上的第一阶梯实现轴向定位，转子铁芯、转子轮辐和电机轴一同旋转输出转矩；
所述电机定子通过轴承套装在电机轴的一端，由电机轴上的第二阶梯实现轴向定位；所述转子端盖通过轴承套装在电机轴的另一端，与电机定子中的定子端盖相结合构成电机外壳，所述电机定子中的定子铁芯、以及电机转子位于电机外壳内。
作为本发明的优选，所述转子铁芯为圆环体结构，圆环体的外圆侧面沿周向均匀布有多层磁障，所述磁障沿径向贯穿至圆环体的内圆侧面，即穿透整个转子铁芯。
作为本发明的优选，所述的转子轮辐沿周向设有环形安装槽，所述转子铁芯(3)的内圆侧面抵接在安装槽内固定。
作为本发明的优选，所述磁障为多层弧形结构。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明充分发挥电机磁阻转矩且省去了稀土永磁材料，同时具有盘式永磁电机轴向长度短、结构紧凑、功率密度高和同步磁阻电机调速范围宽、安全性好、性价比高的优点，且电磁、机械、振动噪声性能更优。
附图说明
图1为本发明实施例示出的一种新型盘式同步磁阻电机的结构示意图；
图2为图1的爆炸图；
图3为本发明实施例的三维有限元仿真转矩图；
其中：1-定子铁芯，2-定子绕组，3-转子铁芯，4-定子端盖，5-转子端盖，6-转子轮辐，7-轴承，8-电机轴。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明，本实施例以本发明技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
盘式电机的结构可分为单定转子、双定子单转子、双转子单定子以及多盘形式，同步磁阻电机可分为有无永磁材料辅助形式，下面以最基本的单定转子无永磁辅助结构进行本发明的详细说明，其余结构仅是此基础上的不同组合形式。
如图1和图2所示，本发明公开的一种新型盘式同步磁阻电机包括定子铁芯1，定子绕组2，转子铁芯3，定子端盖4，转子端盖5，转子轮辐6，轴承7，电机轴8。
其中，定子铁芯1，定子绕组2，转子铁芯3，定子端盖4，转子端盖5，转子轮辐6，轴承7，电机轴8同轴心布置；定子铁芯1同轴固定套装在定子端盖4上，定子铁芯1上沿圆周均匀分布有十二个凸起齿；定子绕组2按照同步电机绕组分布规律均匀的绕在所述凸起齿上，使得定子绕组2通正弦电流时，在绕组轴向产生沿圆周方向行进的正弦波磁场。定子铁芯1与转子铁芯3不接触，中间设有一定距离的气隙，定子铁芯与转子铁芯通过气隙进行机电能量转换，使得定子绕组通电后，转子铁芯转动输出转矩。
转子铁芯3同轴套装固定在转子轮辐6上，转子轮辐6同轴固定套装在电机轴8上，转子铁芯3、转子轮辐6和电机轴8固接在一起可以一同旋转输出转矩。
电机轴8两端分别各套装一个轴承7，定子端盖4和转子端盖5通过轴承7分别旋转套装在电机轴8的两端。
在本发明的一种实施中，所述的转子轮辐6沿周向设有环形安装槽，所述转子铁芯3的内圆侧面抵接在安装槽内固定。转子铁芯依据同步磁阻电机的运行原理设计，在电机轴向构造磁路，在转子铁芯侧面沿转子铁芯圆周方向均匀布有多层磁障，磁障沿转子铁芯径向穿透整个铁芯圆盘，磁障的形状根据所需的电机性能设计优化。本实施例中，在转子铁芯中，相邻两个磁障的中线为转子直轴所在位置，磁障的中线为转子交轴所在的位置，以图2为例，采用三层连续弧形磁障结构，共设十个磁障。
如式(1)所示，T为电磁转矩，p为极对数，Ld、Lq分别为直、交轴电感，id、iq分别为直、交轴电流。通过合理设计转子磁障的形状，调整电机的直轴、交轴电感，增大电机的凸极比，可以有效增加输出转矩。需要注意的是，为了增大转矩输出能力，此时电机需要采用最大转矩电流比控制(Maximum torque per ampere control，MTPA)等控制策略。同时，合理的磁障形状也可以改善电机的电磁、机械、振动噪声等多方面性能。
Figure BDA0003297487150000031
在本发明的实施过程中，当定子绕组2通正弦电流时，在绕组轴向产生沿圆周方向行进的正弦波磁场，定子铁芯1与转子铁芯3通过气隙进行机电能量转换。基于磁阻最小原理，转子铁芯3会跟随合成磁场的方向转动，随着正弦波磁场沿圆周方向行进，固接在一起的转子铁芯3、转子轮辐6和电机轴8转动输出转矩，如图3为本发明实施例的三维有限元仿真转矩图。本发明通过多层磁障的合理设计，可以增大电机的凸极比，进而输出较高的转矩。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本发明保护范围也包括本领域技术人员在权利要求范围内做出的各种变形或修改。

Claims (4)

1.一种新型盘式同步磁阻电机，其特征在于，包括定子铁芯(1)、定子绕组(2)、转子铁芯(3)、定子端盖(4)、转子端盖(5)、转子轮辐(6)、轴承(7)和电机轴(8)；
所述定子铁芯(1)同轴套装并固定在定子端盖(4)内构成电机定子，定子铁芯(1)上沿圆周均匀分布有凸起齿；定子绕组(2)按照同步电机绕组分布规律均匀的绕在所述的凸起齿上，使得定子绕组(2)通正弦电流时，在定子绕组轴向产生沿圆周方向行进的正弦波磁场；
所述转子铁芯(3)同轴套装并固定在转子轮辐(6)上构成电机转子，转子轮辐(6)固定在电机轴(8)上，由电机轴上的第一阶梯实现轴向定位，转子铁芯(3)、转子轮辐(6)和电机轴(8)一同旋转输出转矩；
所述电机定子通过轴承(7)套装在电机轴(8)的一端，由电机轴上的第二阶梯实现轴向定位；所述转子端盖(5)通过轴承(7)套装在电机轴(8)的另一端，与电机定子中的定子端盖(4)相结合构成电机外壳，所述电机定子中的定子铁芯(1)、以及电机转子位于电机外壳内。
2.根据权利要求1所述的一种新型盘式同步磁阻电机，其特征在于，所述转子铁芯(3)为圆环体结构，圆环体的外圆侧面沿周向均匀布有多层磁障，所述磁障沿径向贯穿至圆环体的内圆侧面，即穿透整个转子铁芯。
3.根据权利要求2所述的一种新型盘式同步磁阻电机，其特征在于，所述的转子轮辐(6)沿周向设有环形安装槽，所述转子铁芯(3)的内圆侧面抵接在安装槽内固定。
4.根据权利要求2所述的一种新型盘式同步磁阻电机，其特征在于，所述磁障为多层弧形结构。
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